選修3-1-4蛋白質(zhì)工程的崛起

蛋白質(zhì)工程的崛起?？h一中連學(xué)民蛋白質(zhì)工程就是為了生產(chǎn)出符合人類生產(chǎn)和生活需要的蛋白質(zhì)，甚至是自然界不存在的蛋白質(zhì)?；蚬こ淘谠瓌t上只能生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)，這些天然蛋白質(zhì)是生物在長(zhǎng)期進(jìn)化過程中形成的，它們的結(jié)構(gòu)和功能符合特定物種生存的需要，卻不一定完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要。一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由二、蛋白質(zhì)工程的概念蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過基因修飾或基因合成，對(duì)現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類對(duì)生產(chǎn)和生活的需求。前提：原理：目的：了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能改造基因（基因修飾或基因合成）定向改造或制造蛋白質(zhì)操作對(duì)象：基因

蛋白質(zhì)的功能是DNA決定的，那么要制造出新的蛋白質(zhì)，就要改造DNA，所以蛋白質(zhì)工程的原理應(yīng)該是中心法則的逆推。三、蛋白質(zhì)工程的基本原理基因DNA氨基酸序列多肽鏈蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)預(yù)期功能生物功能mRNA轉(zhuǎn)錄翻譯折疊DNA合成分子設(shè)計(jì)討論：1、怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？請(qǐng)把相應(yīng)的堿基序列寫出來。

某多肽鏈的一段氨基酸序列是：……-丙氨酸-色氨酸-賴氨酸-甲硫氨酸-苯丙氨酸-……丙氨酸：GCU、GCC、GCA、GCG色氨酸：UGG賴氨酸：AAA、AAG甲硫氨酸：AUG苯丙氨酸：UUU、UUC每種氨基酸都有對(duì)應(yīng)的三聯(lián)密碼子,只要查一下遺傳密碼子表,就可以將上述氨基酸序列的編碼序列查出來。但是由于上述氨基酸序列中有幾個(gè)氨基酸是由多個(gè)三聯(lián)密碼子編碼,因此其堿基排列組合起來就比較復(fù)雜,至少可以排列出16種。同學(xué)們可以根據(jù)學(xué)過的排列組合知識(shí)自己排列一下。首先應(yīng)該根據(jù)三聯(lián)密碼子推出mRNA序列為GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）AUGUUU（或C），再根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)規(guī)律推出脫氧核苷酸序列：CGA（或G或T或C）ACCTTT（或C）TACAAA（或G）。2、確定目的基因的堿基序列后，怎樣才能合成或改造目的基因DNA）？可以通過人工合成的方法獲取。

蛋白質(zhì)工程的實(shí)質(zhì)對(duì)編碼蛋白質(zhì)的基因進(jìn)行改造（二）蛋白質(zhì)改造工程舉例1．水蛭素改造水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特異抑制劑，它有多種變異體，由65或66個(gè)氨基酸殘基組成。水蛭素在臨床上可作為抗栓藥物用于治療血栓疾病。為提高水蛭素活性，在綜合各變異體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上提出改造水蛭素主要變異體HV2的設(shè)計(jì)方案，將47位的Asn（天冬酰胺）變成Lys（賴氨酸），使其與分子內(nèi)第4或第5位Thr（蘇氨酸）間形成氫鍵來幫助水蛭素N端肽段的正確取向，從而提高抗凝血效率，試管試驗(yàn)活性提高了4倍，在動(dòng)物模型上檢驗(yàn)抗血栓形成的效果，提高20倍。2．生長(zhǎng)激素改造生長(zhǎng)激素通過對(duì)它特異受體的作用促進(jìn)細(xì)胞和機(jī)體的生長(zhǎng)發(fā)育，然而它不僅可以結(jié)合生長(zhǎng)激素受體，還可以結(jié)合許多種不同類型細(xì)胞的催乳激素受體，引發(fā)其他生理過程。在治療過程中為減少副作用，需使人的重組生長(zhǎng)激素只與生長(zhǎng)激素受體結(jié)合，盡可能減少與其他激素受體的結(jié)合。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，二者受體結(jié)合區(qū)有一部分重疊，但并不完全相同，有可能通過改造加以區(qū)別。由于人的生長(zhǎng)激素和催乳激素受體結(jié)合需要鋅離子參與作用，而它與生長(zhǎng)激素受體結(jié)合則無需鋅離子參與，于是考慮取代充當(dāng)鋅離子配基的氨基酸側(cè)鏈，如第18和第21位His（組氨酸）和第17位Glu（谷氨酸）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)先設(shè)想一致，但要開發(fā)作為臨床用藥還有大量的工作要做。3．胰島素改造

天然胰島素制劑在儲(chǔ)存中易形成二聚體和六聚體，延緩胰島素從注射部位進(jìn)入血液，從而延緩了其降血糖作用，也增加了抗原性，這是胰島素B23-B28氨基酸殘基結(jié)構(gòu)所致。利用蛋白質(zhì)工程技術(shù)改變這些殘基，則可降低其聚合作用，使胰島素快速起作用。該速效胰島素已通過臨床實(shí)驗(yàn)。

4．治癌酶的改造癌癥的基因治療分二個(gè)方面：藥物作用于癌細(xì)胞，特異性地抑制或殺死癌細(xì)胞；藥物保護(hù)正常細(xì)胞免受化學(xué)藥物的侵害，可以提高化學(xué)治療的劑量。皰疹病毒（HSV）胸腺嘧啶激酶（TK）可以催化胸腺嘧啶和其它結(jié)構(gòu)類似物磷酸化而使這些堿基3’-OH缺乏,從而阻斷DNA的合成，殺死癌細(xì)胞。HSV—TK催化能力可以通過基因突變來提高。從大量的隨機(jī)突變中進(jìn)行篩選出一種酶,在酶活性部位附近有6個(gè)氨基酸被替換，催化能力20倍以上。蛋白質(zhì)工程的發(fā)展很快，研究工作很多，以上僅介紹了幾個(gè)例子。蛋白質(zhì)工程除了用于改造天然蛋白質(zhì)或設(shè)計(jì)制造新的蛋白質(zhì)外，其本身還是研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)功能的一種強(qiáng)有力的工具，它在解決生物理論方面所起的作用，可以和任何重大的生物研究方法相提并論。三、蛋白質(zhì)工程的進(jìn)展和前景

蛋白質(zhì)工程匯集了當(dāng)代分子生物學(xué)等學(xué)科的一些前沿領(lǐng)域的最新成就，它把核酸與蛋白質(zhì)結(jié)合、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與生物功能結(jié)合起來研究。蛋白質(zhì)工程將蛋白質(zhì)與酶的研究推進(jìn)到嶄新的時(shí)代，為蛋白質(zhì)和酶在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和醫(yī)藥方面的應(yīng)用開拓了誘人的前景。蛋白質(zhì)工程開創(chuàng)了按照人類意愿改造、創(chuàng)造符合人類需要的蛋白質(zhì)的新時(shí)期。1、

蛋白質(zhì)工程中直接需要進(jìn)行操作的對(duì)象是（）Ａ．氨基酸結(jié)構(gòu)

B．蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)

C．肽鏈結(jié)構(gòu)

D．基因結(jié)構(gòu)

練習(xí)：Ｄ2、

下列關(guān)于蛋白質(zhì)工程的說法錯(cuò)誤的是（）A．蛋白質(zhì)工程能定向改造蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)，使之更加符合人類的需要B．蛋白質(zhì)工程是在分子水平上對(duì)蛋白質(zhì)分子直接進(jìn)行操作，定向改變分子的結(jié)構(gòu)C．蛋白質(zhì)工程能產(chǎn)生出自然界中不曾存在過的新型蛋白質(zhì)分子D．蛋白質(zhì)工程與基因工程密不可分，又被稱為第二代基因工程Ｂ3以下關(guān)于蛋白質(zhì)工程的說法正確的是（）A、蛋白質(zhì)工程以基因工程為基礎(chǔ)B、蛋白質(zhì)工程就是酶工程的延伸C、蛋白質(zhì)工程就是用蛋白酶對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行改造D、蛋白質(zhì)工程只能生產(chǎn)天然的蛋白質(zhì)

Ａ4蛋白質(zhì)工程的基本流程正確的是（）①蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)②DNA合成③預(yù)期蛋白質(zhì)功能④根據(jù)氨基酸序列推出脫氧核苷酸序列A．①②③④

B．④②①③

C．③①④②

D．③④①②Ｃ5蛋白質(zhì)工程是在基因工程基礎(chǔ)上，延伸出來的第二代基因工程，其結(jié)果產(chǎn)生的蛋白質(zhì)是（）A．氨基酸種類增多

B．氨基酸種類減少C．仍為天然存在蛋白質(zhì)

D．可合成天然不存在蛋白質(zhì)Ｄ1、你知道人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃嗎？它與蛋白質(zhì)工程有什么關(guān)系？我國(guó)科學(xué)家承擔(dān)了什么任務(wù)？旁欄思考題人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃是繼人類基因組計(jì)劃之后，生命科學(xué)乃至自然領(lǐng)域一項(xiàng)重大的科學(xué)命題。2001年，國(guó)際人類蛋白質(zhì)組組織宣告成立。2003年，該組織正式提出啟動(dòng)了兩項(xiàng)重大國(guó)際合作行動(dòng)：一項(xiàng)是由中國(guó)科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類肝臟蛋白質(zhì)組計(jì)劃”；另一項(xiàng)是以美國(guó)科學(xué)家牽頭的“人類血漿蛋白質(zhì)組計(jì)劃”，由此拉開了人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃的帷幕?！叭祟惛闻K蛋白質(zhì)組計(jì)劃”是國(guó)際上第一個(gè)人類組織器官的蛋白質(zhì)組計(jì)劃，由我國(guó)賀福初院士牽頭，這是中國(guó)科學(xué)家第一次領(lǐng)銜重大國(guó)際科研協(xié)作計(jì)劃，總部設(shè)在北京。它的科學(xué)目標(biāo)是揭示并確認(rèn)肝臟的蛋白質(zhì)，為重大肝病預(yù)防、診斷、治療和新藥研發(fā)的突破提供重要的科學(xué)基礎(chǔ)。隨后，相繼啟動(dòng)了由德國(guó)、瑞士、英國(guó)、加拿大和日本等國(guó)牽頭的各類蛋白質(zhì)組計(jì)劃。人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃的深入研究將是對(duì)蛋白質(zhì)工程的有力推動(dòng)和理論支持。2、對(duì)天然蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，你認(rèn)為應(yīng)該直接對(duì)蛋白質(zhì)分子進(jìn)行操作，還是通過對(duì)基因的操作來實(shí)現(xiàn)？答：毫無疑問應(yīng)該從對(duì)基因的操作來實(shí)現(xiàn)對(duì)天然蛋白質(zhì)改造，主要原因如下：（1）、任何一種天然蛋白質(zhì)都是由基因編碼的，改造了基因即對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行了改造，而且改造過的蛋白質(zhì)可以遺傳下去。如果對(duì)蛋白質(zhì)直接改造。即使改造成功，被改造過的蛋白質(zhì)分子還是無法遺傳的。（2）、對(duì)基因進(jìn)行改造比對(duì)蛋白質(zhì)直接進(jìn)行改造要容易操作，難度要小得多。異想天開能不能根據(jù)人類需要的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的基因，導(dǎo)入合適的細(xì)菌中，讓細(xì)菌生產(chǎn)人類